بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله نتایج یک دستگاه توسعه یافته براي انجام آزمایشهاي برش سه محوري با قابلیت کنترل مکش و با هدف تعیین یک رابطه رفتاري بین تنش مکشی و مکش ماتریسی - SSCC - براي یک نوع ماسه غیراشباع، ارائه گردیده است. تنش مکشی یک تنش ماکروسکوپیک بوده و تأثیر نیروهاي موئینگی، واندروالسی، سیمانتاسیون و نیروهاي دافعه دوگانه را وارد تعریف تنش مؤثر براي خاکهاي غیراشباع میکند.
نتایج آزمایشهاي برش سهمحوري نشان داد که پوش گسیختگی مقاومت برشی براي ماسه غیراشباع دوخطی بوده و خصوصاً در تنشهاي همه جانبه با مقادیر کم پوش گسیختگی روندي متفاوت با پوش گسیختگی موهر-کولمب بهخود میگیرد، که این مشاهده باید در نحوه تعیین - SSCC - براي ماسه در نظر گرفته شود. دادههاي حاصل از آزمایش برش سهمحوري تحت تنشهاي مختلف براي محاسبه - SSCC - مورد استفاده قرار گرفت.
نتایج نشان داد که با تعیین - SSCC - از داده هاي برش یک مسیر تنش بحراتی یکتا براي نمونه ها بدست میآید. نتایج همچنین نشان دادکه تنش مکشی بر حسب تنش ماتریسی براي ماسه یک روند افزایشی و سپس کاهشی دارد. در انتها نتایج تعیین منحنی مشخصه تنش مکشی با استفاده از دادههاي آزمایشگاهی بدست آمده و نیز محاسبه شده با استفاده از روابط موجود در ادبیات فنی جهت مقایسه آورده شدهاند.
.1 مقدمه
رویکردهاي متفاوتی توسط محققین براي توصیف تنش مؤثر خاكهاي غیراشباع ارائه شده است که عموماً هدف آنها درنظرگرفتن تأثیر تنش کل میانگین ، فشار هواي منفذي ua ، فشار آب منفذيuw و نیروهاي فیزوشیمیایی بر روي رفتار خاكهاي غیراشباع ازجمله نحوه تغییر حجم، مقاومت و مدول برشی دینامیکی است.
یکی از رویکردهاي ارائه شده استفاده از متغییرهاي حالت مستقل مانند تنش همه جانبه خالص n - uw - و مکش ساختاري - ua uw - میباشد. این رویکرد بر مبناي مشاهداتی ارائه شد که نشان میدادند تغییرات حجم میتوانند ناشی از هر یک از متغییرهاي حالت باشد. با این وجود محققین دیگري استدلال نمودند که چنین مفهومی مستلزم ترکیب دو مقیاس ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک بوده و این متناقض با اصول تشابه ابعادي مکانیک محیطهاي پیوسته براي محیطهاي چند فازه میباشد
در رویکرد دیگري که توسط بیشاپ ارائه شد تنش مؤثر خاكهاي غیراشباع، با استفاده از مفهوم پارامتر تنش مؤثر که مقدار آن از صفر براي خاكهاي خشک تا مقدار یک براي خاكهاي اشباع متغییر میباشد به شکل یک متغییر حالت تنش واحد بهصورت رابطه - 1 - ارائه گردید:
این رویکرد بیان میدارد که تنشهاي بین ذرهاي در خاكهاي غیراشباع الزاماً با مکش ساختاري رابطه خطی ندارند و برخلاف خاك اشباع و تأثیر گسترده آن در تحلیلهاي مهندسی، رویکرد بیشاپ کاربرد چندانی ندارد. این مسئله به این علت است که پارامتر تنش مؤثر شدیداً وابسته به ساختار خاك و مسیرهاي تر و خشکشدگی میباشد. به همین علت بیان رابطهاي مستقیم میان این پارامتر با پارامترهاي حجمی همانند درجه اشباع دشوار میباشد.
مفهوم دیگري که بر اساس مفهوم متغییر حالت تنش واحد پیشنهاد شده است، مفهوم منحنی مشخصه تنش مکشی - SSCC - 1 ارائه شده توسط لو و همکاران است.[4] تنش مکشی s، به صورت یک تنش ماکروسکوپیک که مجموع تأثیرات نیروهاي موئینگی، نیروهاي ناشی از تماس فازهاي خاك و آب منفذي، مانند نیروهاي و، دافعه لایهدوگانه الکتریکی و نیروهاي جاذبه ناشی از سیمانتاسیون در محل تماس ذرات را درنظر میگیرد تعریف میگردد.
تنش مکشی تابعی است از مکش ساختاري و درصد رطوبت حجمی ، و بنابراین به منحنی نگهداشت آب خاك وابسته میباشد. این رویکرد یک روش تجربی براي تعیین - SSCC - با استفاده از پوش گسیختگی بهدست آمده از آزمایشهاي مقاومت برشی زهکشی شده، بر روي نمونههاي غیراشباع با مقادیر مکش ساختاري کنترل شده ارائه میدهد. در این روش پوش گسیختگی بر روي محور تنش نرمال امتداد داده شده و تنش مکشی و چسبندگی ظاهري به صورت رابطه - 2 - تعریف میگردد:
شکل - - 1 بهصورت شماتیک روش تعیین - SSCC - از پوش گسیختگی مقاومت برشی انجام شده در مقادیر مختلف مکش ساختاري را نشان میدهد.
شکل - 1 تعیین SSCC از دادههاي مقاومت برشی
در محاسبه - SSCC - از روش بیان شده در شکل - 1 - فرض میشود که چسبندگی ظاهري براي حالت اشباع برابر صفر بوده، رابطه پوش گسیختگی با تنش نرمال خالص خطی بوده و همچنین زاویه اصطکاك داخلی با تغییرات مکش ساختاري تغییر نمیکند. فرض آخر تنها براي خاكهایی مانند ماسه، سیلت و رس با پلاستیسیته پایین که با تغییرات مکش ساختاري حجمشان تغییر نمیکند صادق است. اعتبار فرض ثابت بودن زاویه اصطکاك داخلی مؤثر نیز، هم براي حالت اشباع و هم براي حالت غیراشباع در ادبیات فنی مورد بررسی قرار گرفته است.[
همانطور که در شکل - 1 - نشان داده شده است، - SSCC - نیز همانند پارامتر تنش مؤثر ، وابسته به مسیرهاي تر و خشک شدگی بوده و در این مطالعه تنها به بررسی مسیر خشکشدگی پرداخته میشود. لو و همکاران [4] با استفاده از مفهوم - SSCC - تنش مؤثر در خاكهاي غیر اشباع را به صورت رابطه - 3 - بیان نمودند:
در این رابطه Sr درجه اشباع در مکش ساختاري مورد نظر و S درجه اشباع پسماند در منحنی مشخصه آب خاك است. علاوه بر این مطالعات مشابهی براي یافتن نقطه تسلیم در آزمایشات با فشار همهجانیه انجام گردید
با وجود اینکه این مدل پیشنهادي دشواريهاي استفاده از دو متغییر حالت تنش و نیز اندازهگیري پارامتر تنش مؤثر در خاك غیراشباع را برطرف میسازد، ضعف این مدل نیاز به انجام تعداد زیادي آزمایش جهت تعیین - SSCC - میباشد. علاوه براین آزمایشهاي بیشتري نیز براي تعیین نوع پوش گسیختگی - خطی، هذلولی، لگاریتمی و.. - براي انواع مختلف مصالح خاکی، از جمله ماسه نیاز است که مسئله مستلزم تجهیزات و روشهاي آزمایشگاهی خاص میباشد. این بررسی یک روش جدید براي تعیین - SSCC - ماسه غیراشباع ارائه میدهد.
در این بررسی براي انجام آزمایشها از سلول سهمحوري اصلاح شده براي حالت غیراشباع، صفحه کنترل فشار براي کنترل درجه اشباع و مکش ساختاري، پمپ جریان براي اعمال مکش ساختاري در تنشهاي همهجانبه پایین و نیز از جک سهمحوري براي اعمال برش در مکش ساختاري مورد نظر استفاده شده است. در انتها نیز با استفاده از نتایج آزمایشگاهی بدست آمده به اعتبارسنجی روابط تعیین تنش مکشی موجود در ادبیات فنی پرداخته میشود.
.2 مشخصات خاك مورد آزمایش
خاك مورد آزمایش در این مطالعه ماسه سیلیسی فیروزکوه با دانهبندي یکنواخت و شکل دانههاي نیمه گرد گوشه میباشد. اندازه متوسط دانهها 0/19 میلیمتر بوده و دانسیته خشک حداقل و حداکثر به ترتیب برابر 1469 kg/m3 و 1781 kg/m3، مطابق با مقادیر 0/9 و 0/62 براي نسبت تخلخلهاي حداکثر و حداقل میباشند. چگالی ویژه ذرات ماسه برابر با 2/65 است. منحنی دانهبندي این خاك در شکل - 2 - نشان داده شده است. این ماسه، از نوع ماسه ریز بد دانهبندي شده میباشد
شکل – 2 منحنی دانهبندي ماسه سیلیسی فیروزکوه
.3 تجهیزات و روش انجام آزمایش
تمامی نمونهها در سلول سهمحوري اصلاح شده براي حالت غیراشباع، با تنش همهجانبه 70 کیلوپاسکال و تحت اعمال وکیوم اشباع شدند و سپس تنش همهجانبه دلخواه به آن اعمال شده و همزمان فرآیند اعمال مکش ماتریسی آغاز گردید. سلول سهمحوري اصلاح شده به همراه صفحه فشار امکان اعمال و کنترل تنش همهجانبه و مکش ساختاري را با دقت 0/1 کیلوپاسکال فراهم میآورد.
براي انجام آزمایش در تنشهاي همهجانبه بالا - براي مقادیر بالاتر از10 کیلو پاسکال - از صفحه کنترل فشار مجهز به سیستم قرائت بورت استفاده شد و براي اعمال فشارهاي همهجانبه کمتر از 10 کیلو پاسکال از یک روش جدید شامل سلول سهمحوري و صفحه فشار مجهز به سیستم بورت و پمپ جریان استفاده گردید. در هر دو روش کنترل مکش ماتریسی با استفاده از تکنیک انتقال محور1 انجام میپذیرد به این صورت که در روش اول براي افزایش مکش ساختاري، فشارآب منفذي ثابت - برابر فشار اتمسفر - نگهداشته شده و فشار هواي منفذي افزایش مییابد.
با تغییر در مقدار فشار هواي منفذي فشار داخل سلول نیز تغییر داده میشود تا تنش همه جانبه بر روي مقدار دلخواه تنظیم گردد. درجه اشباع با استفاده از قرائت بورت متصل به زیر نمونه و میزان تغییرات حجم نمونه از بورت متصل به سلول بهدست میآید.
در روش دوم فشار هوا ثابت و برابر فشار هواي اتمسفر نگهداشته شده و فشار آب منفذي با استفاده از پمپ جریان کاهش مییابد. تنش همه جانبه خالص نیز برابر فشار ارتفاع آب از مرکز نمونه خواهد بود. تغییرات حجم نمونه نیز از طریق بورت متصل به سلول قرائت میگردد. شکل 5 نماي کلی سیستم استفاده شده در روش دوم را نشان میدهد در هر دو روش پس از به تعادل رسیدن نمونه در مکش ساختاري مورد نظر آزمایش برش استاتیکی با استفاده از جک سهمحوري بر روي نمونه انجام گردید. شکل - 3 - سلول سهمحوري و سیستم کنترل فشار براي آزمایشهاي با تنش همه جانبه پایین را نشان میدهد.
.4 روش ساخت نمونهها
نمونههاي استوانهاي با قطر 38 میلیمتر و ارتفاع 76 میلیمتر و دانسیته نسبی%67 روش ریزش ماسه در داخل غشاي پلاستیکی که درون قالب دو تکه قرار گرفته شده است، ساخته شدند. شدت و سرعت ریزش ماسه به ترتیب از طریق میزان بازشدگی حفرات صفحه بارش و ارتفاع سقوط کنترل میشوند. این روش امکان ساخت نمونههاي ماسهاي همگن را فراهم میکند و بنابراین براي انجام آزمایشات غیراشباع، که در آن توزیع یکنواخت حفرات امري ضروري است، روشی مناسب میباشد.
